175116. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés lézerplazma röntgenhozamának növelésére és röntgenlézer magvalósítására
3 175116 A röntgenlézerek megvalósítása során három lényeges problémát kell megoldani. 1. A 10 Á-nél kisebb hullámhossz tartományban a gerjesztett állapotok (lyukak az elektronhéjon) élettartama KTI4-10"1S sec nagyságrendű. Ez a körülmény az eddig javasolt megoldások esetén a mai technikai színvonalon elérhetetlen gerjesztési paramétereket követel. A napjainkban elérhető legrövidebb 1CT13 sec-os impulzus hosszú pumpálással 100—200 Â környékén várható lézerfolyamat. 2. A periódusos rendszer egyes elemeinél széles — a szóbajövő energianívók szempontjából kedvező tartományban - az Auger effektus miatt a gerjesztett nívók sugárzás nélküli átmenettel nagyon nagy valószínűséggel lebomlanak, így elvesznek az indukált emisszió számára. 3. A szokásos plazmarelaxációs röntgenlézer javaslatok esetén a lézertérfogatban található ionoknak csak kb. 1%-a van gerjesztett állapotban, míg a 99%-nyi rész csak felesleges abszorpciót okoz. Emiatt azonos tiszta erősítéshez legalább 2 nagyságrenddel nagyobb gerjesztést kell alkalmazni. Mint azt számos publikáció, valamint a 3 823 325 és 3 882 312 számú két USA-szabadalom is ismerteti, az impulzus röntgenlézer megvalósításának lehetőségét a magas hőmérsékletű, nagy sűrűségű lézerplazmákban kell keresnünk. Az eddigi szabadalmak és cikkek rögzítik a röntgenlézer ily fajta megvalósításának leglényegesebb feltételeit, nevezetesen szilárd target felületén 10"11 sec-nál rövidebb időtartamú lézerimpulzusoknak hengerlencsével a targetre fókuszálásával vonalszerű lézerplazmát kell előállítani. A fénynyaláb késleltetésével biztosítani lehet a haladóhullámú gerjesztést. A magárahagyott plazmában lezajló rekombinációs folyamatok során remény van populációinverzió létrehozására. Minden javasolt megoldás szerint az előbbi három nehézség kiküszöbölése, vagy jelentős csökkentése nélkül is lehetőség van a röntgenlézer folyamat beindítására. Mi jelen találmányunkban a fent leírtakat megtartjuk, azzal a kiegészítéssel, hogy a vonalszerű lézerplazmát erős sztatikus elektromos térben kell létrehozni, továbbá egyes esetekben külön ultragyors segéd elektroimpulzus létrehozását is biztosítani kell, amit a felületi fotoeffektussal lehet előállítani. Amennyiben a sztatikus elektromos tér értékét és előjelét, valamint geometriáját helyesen választjuk meg, mindhárom, a lézerfolyamat ellen dolgozó effektus hatását csökkenteni tudjuk, így egyszerűbb körülmények között tudunk röntgenlézer (pontosabban szuberradiansz) működését létrehozni. A nagy hőmérsékletű lézerplazmát olyan elektrosztatikus térbe kell helyezni, mely az ionokat a plazmából kifelé húzza. Mivel a 1 CT11 sec alatt keletkezett, különböző mértékben ionizált ionok nagy részének kezdeti sebessége (ionhőmérséklet) így az elektromos tér hatására csak kismértékben különbözik az azonos tömegű, de különböző ionizáltsági fokú ionok a térben szétválnak. Ezt az elvet használják ki ún. plazma repülési idő spektrométerek, de az ott alkalmazott 50 V/cm-es térerő csak az ionok begyűjtését biztosítja. Méréseink alapján minimum 2 nagyságrenddel nagyobb, legalább 5* 103 V/cm-es teret kell alkalmazni, mert ezzel már olyan változást idézhetünk elő, amely a fizikai folyamatokat minőségileg megváltoz-4 tatja és új jelenségként, kedvezően módosítja a plazma kialakulását. 1. Az irodalomban és az említett szabadalmakban leírtakkal szemben a plazma erős elektrosztatikus térben történő létrehozása esetén, adott rendszergeometriában, a lézerműködésre alkalmas ionok nagyobb koncentrációban jelennek meg. Az abszorbeáló és emittáló részecskék koncentrációviszonya csökken, kisebb inverziós fok eredményez azonos tiszta erősítést. 2. Tovább csökkenthető az említett korlátozó effektusok hatása egy alkalmasan választott gyors elektronforrás bekapcsolásával. Ha az előbbi pont alapján a plazmából kirepülő ionok csak ezen elektronforrás elektronjaival rekombinálódnak, akkor nem a plazmarelaxációs folyamatok lesznek a meghatározók. Az alábbiakban leírt röntgenlézer működése az erős elektrosztatikus térrel befolyásolt tiszta elektron-ion rekombinációs folyamatokon alapul. 3. Amint említettük, egy K-héjon létrehozott lyuk élettartama Z>20 esetén r~lCT15sec. Ha azonban egy teljesen ionizált atommagot, vagy egy külső nívótól befelé adott szintig ionizált iont tekintünk, amely nem találkozik elektronokkal, akkor r igen nagy lehet, ugyanis az elektronhéjon belül nincs lehetőség rekombinációra. Az elektronforrás előtt, tehát még elektronoktól mentes térben (vákuumban) lehetőség van arra, hogy HT15 sec-nál lényegesen nagyobb idő alatt, a gerjesztett állapot relaxációja nélkül, a röntgenlézer folyamatban résztvevő ionok a sztatikus elektromos tér hatására felvegyék a kedvező geometriai elrendeződést. Ekkor kell a rendszert az említett gyors elektronnyalábban besugározni és ezzel lehetővé tenni az emissziós folyamatot. Több (akár 10) nagyságrenddel nagyobb látszólagos élettartamot érhetünk el, s ennek „ára” csak annyi, hogy az atomot pl. K elektron eltávolítása helyett totális ionizációt kell elérnünk. Ez energetikailag csak kb. ötször nagyobb pumpáló energiát jelent. Az ily módon előállított ionok rekombinációjához egy külső elektronforrásból kell bizotsítani az elektronokat. A többszörös ionizáció után a rekombináció szabad elektronokkal általában sugárzásos, de belülről kifelé a vákuumállapotból töltődik be a rendszer, ami folytonos spektrum röntgensugárzást szolgáltat. Röntgenlézer működéséhez az átmenetnek két lépésben kell lezajlania: vákuum — felső nívó, majd felső-alsó nívó, mivel a második lépcső lebomlása előtt populációinverzió áll elő. Ez az inverzió csak definit nívókra és meghatározott energiájú elektronok és ionok ütközése során állhat elő. E célból szükség van a külső elektronforrásra, mely célszerűen lehet a sztatikus teret előállító egyik elektróda, melyből vagy magának a plazmának az inkoherens ultraibolya, ill. röntgensugárzása, vagy kellő időkésleltetés után a lézerfény egy része állítja elő fotoeffektussal a szükséges elektronokat. Az időkésleltetés, a plazma és a két elektróda távolsága és az alkalmazott potenciálkülönbség értéke egymással összefügg és úgy kell értéküket beállítani, hogy 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
